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Thèse M. Pigou - 8 octobre

17 septembre

Modélisation du comportement cinétique, des phénomènes de mélange et de transfert locaux, et des effets d’hétérogénéité de population dans les fermenteurs industriels

Soutenance de thèse Maxime Pigou

sous réserve d’autorisation de soutenance par les rapporteurs

Lieu : INSA de Toulouse, 135 Avenue de Rangueil, 31400, Toulouse

Lundi 8 octobre à 14 h 00 - Amphithéâtre Fourier (INSA)

Résumé :

Résumé :
Les biotechnologies sont un champ d’application majeur pour les travaux de recherche actuels et à venir. Elles sont actuellement appliquées aux productions industrielles de composés chimiques, de bio-carburants et bio-plastiques, ou de molécules à forte valeur ajoutée. La diversité naturelle des micro-organismes nous laisse espérer de nouvelles applications industrielles dans un futur proche, et pourrait aider à la lutte contre les crises environnementales et énergétiques. De la découverte de nouvelles voies de production à leurs applications industrielles, plusieurs étapes d’ingénierie sont requises pour permettre le passage d’échelle. Dans ce contexte, la modélisation et la simulation prédictive des bioréacteurs facilitent ce travail de changement d’échelle, et peuvent également être appliquées aux procédés existants pour améliorer leurs performances. Des travaux ont été menés pour obtenir de telles modélisations prédictives, mais ils échouent généralement à reproduire les observations expérimentales à différentes échelles. Cela s’explique par l’utilisation d’hypothèses qui, bien que valides aux échelles de culture en laboratoire, ne s’appliquent pas aux échelles industrielles. S’abstreindre de ces hypothèses pour améliorer les modèles, tout en assurant un coût numérique significativement plus faible que les approches usuelles, est le défi principal abordé par ce travail. smallskip Cette thèse se concentre sur le développement d’une structure de modèle pour les fermenteurs industriels, en visant un usage d’ingénierie. Ce travail se base sur deux postulats : (i) par leur taille, les fermenteurs industriels sont hétérogènes ; (ii) par leur nature, les micro-organismes sont des systèmes dynamiques. Ces considérations induisent plusieurs conséquences. La principale est que les micro-organismes vont se différencier les uns des autres. La seconde est qu’ils seront en déséquilibre avec leur environnement, entraînant des baisses de performance à l’échelle du procédé.
Pour intégrer l’ensemble de ces aspects dans une unique structure de modèle, tout en permettant des simulations rapides, l’approche proposée couple (i) un modèle métabolique dynamique pour décrire le comportement des cellules, (ii) un modèle de bilan de population pour suivre l’hétérogénéité biologique et (iii) un modèle de compartiments pour décrire l’hydrodynamique du fermenteur. Un résultat majeur a été le développement d’une structure de modèle métabolique, qui a été confrontée avec succès à de nombreuses données expérimentales, tout en préservant un coût numérique significativement faible. Cette structure a été appliquée à deux micro-organismes, Escherichia coli et Saccharomyces cerevisiae. De nombreuses méthodes numériques permettent de traiter les équations de bilan de population. Une comparaison de celles-ci en termes de stabilité, précision et performances a conduit à la sélection de la méthode étendue de quadrature des moments. Une amélioration majeure de cette méthode a été identifiée, permettant un gain de stabilité et de performances, en réduisant son coût d’un facteur 10. L’hydrodynamique gaz-liquide d’un fermenteur industriel a été obtenue par Mécanique des Fluides Numérique (CFD) et des outils supplémentaires ont été développés pour extraire des modèles de compartiments à partir des simulations CFD.
Finalement, le couplage des modèles métaboliques, de bilan de population et de compartiments a été illustré par la simulation d’une configuration industrielle.
Mots-clés : Bioreacteur,Hétérogénéités,Bilan de population,Mécanique des Fluides Numérique,Modélisation,Simulation dynamique

  • M. Jérôme MORCHAIN - Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés - Directeur de thèse
  • M. Pascal FEDE - Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - CoDirecteur de thèse
  • M. Franck DELVIGNE - Gembloux Agro-Bio Tech, Université de Liège - Rapporteur
  • M. Rodney FOX - Department of Chemical and Biological Engineering, Iowa State University - Rapporteur
  • Mme Martine MEIRELES - Laboratoire de Génie Chimique -Examinateur
  • M. Ralf TAKORS - University of Stuttgart - Examinateur
  • Mme Angélique DELAFOSSE - Université de Liège - Examinateur
  • Mme Marie-Isabelle PENET - Sanofi Chimie, C&BD Biochemistry Vitry - Examinateur
  • M. Geoffrey LARONZE - Sanofi Chimie, C&BD Biochemistry Vitry - Invité